Durchbruch bei der 3D-Druck-Technik: Roboter werden in einem Schritt gebaut

Ein Team von Ingenieuren an der UCLA hat eine neue 3D-Druck-Technik und Designstrategie entwickelt, die es ermöglicht, Roboter in einem einzigen Schritt zu bauen.

Die neue Studie, die zeigt, wie die Roboter konstruiert und laufen, manövrieren und springen können, wurde in Science veröffentlicht.

Durchbruch bei der 3D-Druck-Technik

Die neue Technik umfasst einen 3D-Druck-Prozess für konstruierte aktive Materialien mit mehreren Funktionen, oder “Metamaterialien”. Sie ermöglicht die Herstellung der gesamten mechanischen und elektronischen Systeme, die für den Betrieb eines Roboters erforderlich sind, in einem einzigen Schritt. Nachdem der “Meta-Roboter” 3D-gedruckt wurde, kann er Bewegungen, Antrieb, Sensoren und Entscheidungsfindung ausführen.

Die gedruckten Materialien bestehen aus einem internen Netzwerk von sensorischen, beweglichen und strukturellen Elementen, die sich selbst bewegen, nachdem sie programmiert wurden. Da dieses interne Netzwerk an einem Ort zusammengeführt wird, muss nur noch ein externes Komponenten – die kleine Batterie, die den Roboter antreibt – produziert werden.

Xiaoyu (Rayne) Zheng ist der Hauptautor der Studie und Associate Professor für Bau- und Umwelttechnik sowie Maschinen- und Luft- und Raumfahrttechnik an der UCLA Samueli School of Engineering.

“Wir stellen uns vor, dass diese Design- und Druckmethodik für intelligente robotische Materialien dazu beitragen wird, eine Klasse von autonomen Materialien zu realisieren, die den aktuellen komplexen Montageprozess für die Herstellung eines Roboters ersetzen kann”, sagte Zheng. “Mit komplexen Bewegungen, mehreren Sensormodi und programmierbaren Entscheidungsfähigkeiten, die alle eng integriert sind, ähnelt es einem biologischen System mit Nerven, Knochen und Sehnen, die zusammenarbeiten, um kontrollierte Bewegungen auszuführen.”

Potentielle Anwendungen

Das Team integrierte eine Bordbatterie und einen Controller, um vollständig autonome 3D-gedruckte Roboter zu erstellen. Jeder der Roboter ist so groß wie ein Fingernagel, und laut Zheng könnte diese neue Methode zu neuen Designs für biomedizinische Roboter führen. Ein solcher biomedizinischer Roboter könnte ein schwimmender Roboter sein, der autonom in der Nähe von Blutgefäßen navigiert, um Medikamente an Zielorten im Körper abzuliefern.

Eine weitere Anwendung der 3D-gedruckten Roboter ist, sie in gefährliche Umgebungen zu senden, wie z.B. ein eingestürztes Gebäude, wo eine Schwarm von ihnen engen Räumen zugänglich machen kann. Diese Meta-Roboter könnten dann die Bedrohungslevel bewerten und bei Rettungsarbeiten helfen.

Dies ist ein bedeutender Durchbruch im Bereich der Robotik, da die meisten derzeitigen Roboter eine Reihe komplexer Fertigungsschritte erfordern, um sie zu konstruieren. Dieser Prozess resultiert in schwereren, massiveren und schwächeren Robotern.

Um die neue Methode zu entwickeln, verließ sich das Team auf eine Klasse von komplexen Gittermaterialien, die ihre Form und Richtung in Reaktion auf ein elektrisches Feld ändern. Sie können auch eine elektrische Ladung als Ergebnis von physikalischen Kräften erzeugen.

Entwicklung neuer robotischer Materialien

Die von dem Team entwickelten robotischen Materialien sind nur so groß wie ein Penny und bestehen aus strukturellen Elementen, die ihnen helfen, sich zu biegen, zu drehen, zu erweitern, zu kontrahieren oder zu rotieren, mit hohen Geschwindigkeiten.

Darüber hinaus veröffentlichte das Team eine Methodik, die zur Gestaltung der robotischen Materialien verwendet werden kann, sodass Benutzer ihre eigenen Modelle erstellen können.

Hauchen Cui ist der Erstautor der Studie und ein Postdoktorand an der UCLA in Zhengs Additive Manufacturing and Metamaterials Lab.

“Dies ermöglicht es, aktive Elemente präzise im gesamten Roboter für schnelle, komplexe und ausgedehnte Bewegungen auf verschiedenen Arten von Gelände anzuordnen”, sagte Cui. “Mit dem zweifachen piezoelektrischen Effekt können die robotischen Materialien auch ihre eigenen Verformungen selbst erkennen, Hindernisse über Echo- und Ultraschall-Emissionen erkennen und auf externe Reize über eine Rückkopplungsschleife reagieren, die bestimmt, wie die Roboter sich bewegen, wie schnell sie sich bewegen und auf welches Ziel sie sich bewegen.”

Das Team verwendete die Methode, um drei verschiedene Meta-Roboter mit unterschiedlichen Fähigkeiten zu bauen:

1. Meta-Roboter, der um S-förmige Ecken und zufällig platzierte Hindernisse navigiert
2. Meta-Roboter, der auf einen Kontaktimpuls reagiert und entkommt
3. Meta-Roboter, der über raues Gelände geht und kleine Sprünge macht

Diese neue 3D-Druck-Technik wird eine wichtige Rolle im Bereich der Robotik spielen und dazu beitragen, den Bau solcher Roboter viel effizienter zu machen.

Diese bahnbrechende Forschung umfasste auch Autoren wie Desheng Yao, Ryan Hensleigh, Zhenpeng Xu und Haotian Lu, die Graduate-Studenten sind; Ariel Calderon, ein Postdoktorand; Zhen Wang, Entwicklungstechnik-Associate; Sheyda Davaria, eine Forschungsassistentin an der Virginia Tech; Patrick Mercier, Associate Professor für Elektrotechnik und Informatik an der UC San Diego; und Pablo Tarazaga, Professor für Maschinenbau an der Texas A&M University.